Temperatura e Calore

Temperatura e Calore Stati di Aggregazione Temperatura Scale Termometriche Dilatazione Termica Il Calore L’Equilibrio Termico La Propagazione del Calore I Passaggi di Stato

Gli Stati di Aggregazione La materia si trova essenzialmente in 3 stati di aggregazione: Solido: Forma e Volume proprio Liquido: Forma del recipiente e Volume proprio Gassoso o Aeriforme: Forma e Volume del recipiente Condensati Fluidi Allo stato solido le particelle costituenti la materia (atomi, molecole o ioni) si dispongono in modo ordinato e compatto, con limitate possibilità di muoversi le une rispetto alle altre. SOLIDO Allo stato liquido le particelle costituenti la materia si dispongono in modo disordinato e possono scorrere le une sulle altre, con medie possibilità di muoversi le une rispetto alle altre. LIQUIDO Allo stato gassoso le particelle costituenti la materia si dispongono in modo estremamente disordinato, con elevata possibilità di muoversi le une rispetto alle altre. GASSOSO

Temperatura Le particelle che compongono ogni sostanza, qualunque sia lo stato di aggregazione in cui si trova, sono in continuo movimento. Tale fenomeno si chiama agitazione termica. La temperatura è un indice del grado di agitazione termica: quanto maggiore è l’agitazione termica, tanto maggiore è la temperatura di una sostanza. E’ una delle 7 grandezze fisiche fondamentali. Storicamente il concetto di temperatura nasce come tentativo di quantificare le nozioni comuni di "caldo" e "freddo". Gli strumenti per misurare la temperatura sono i termometri, basati sul fenomeno della dilatazione termica. Esistono diverse scale termometriche, le più usate sono la Kelvin e la Celsius.

Scale Termometriche Celsius, Kelvin Le scale termometriche più diffuse sono la scala kelvin (usata nel S.I.) e la scala Celsius (usata nella vita comune). Le due scale differiscono essenzialmente nel valore assegnato allo zero, cioè al punto iniziale, della scala: Ghiaccio Fondente Zero Assoluto Acqua Bollente CELSIUS KELVIN La scala Celsius è tarata in base a 2 punti fissi: la temperatura del ghiaccio che fonde, cui attribuiamo il valore 0°C, e la temperatura dell’acqua che bolle, cui attribuiamo il valore 100°C. L’intervallo così individuato viene diviso in 100 parti di cui ognuna vale quindi 1°C. La scala Kelvin è tarata in base allo zero assoluto, che è la temperatura teorica più bassa cui può arrivare la materia, il cui valore in gradi Celsius è -273,15°C. Il valore di un grado Kelvin è identico a quello Celsius, cioè 1K = 1°C. NOTA: Nella scala Kelvin non possono esserci valori di temperatura negativi in quanto ha come zero la temperatura più bassa che possa mai esistere.

Dilatazione Termica La dilatazione termica è il fenomeno fisico per cui in un corpo (liquido, gassoso o solido) si verifica un aumento di volume all'aumentare della temperatura. Qualitativamente questo fenomeno si può giustificare nel seguente modo: qualsiasi aumento di temperatura di un corpo è accompagnato da un aumento dell’agitazione termica delle sue molecole. Ciò determina un incremento della distanza tra le molecole, per cui il risultato finale si traduce in un aumento del volume. Nel caso di una diminuzione della temperatura la situazione risulta perfettamente simmetrica a quella appena descritta ed il risultato finale consiste in una diminuzione del volume del corpo. La dilatazione termica dei materiali crea seri inconvenienti in molte applicazioni tecnologiche. Nella progettazione di macchinari, edifici, ponti occorre lasciare adeguati spazi liberi tra i diversi componenti, affinché i materiali (soprattutto i metalli) possano dilatarsi, senza deformare la struttura.  Un classico esempio sono i binari ferroviari. Ma la dilatazione termica non è necessariamente un fenomeno negativo, infatti ad esempio è alla base del funzionamento dei termometri!

Dilatazione Termica Solidi: Dilatazione Lineare e Volumica Ogni solido ha sempre 3 dimensioni, ma può accadere che una delle dimensioni sia preponderante rispetto alle altre (si pensi ad es. ad un filo), in tal caso anche la dilatazione avviene prevalentemente in quella dimensione e si parla quindi di dilatazione lineare, la cui formula è: Quando il solido si sviluppa in modo omogeneo nelle 3 dimensioni la dilatazione avviene in tutte le direzioni, si parla quindi di dilatazione volumica, la cui formula è:

Dilatazione Termica Liquidi e Gas La dilatazione termica agisce anche nei liquidi e nei gas, seguendo la stessa legge della dilatazione volumica dei solidi: L’unica differenza è che il coefficiente di dilatazione termica k è, per il liquidi e ancor più per i gas, maggiore di quello dei solidi. Da ciò deriva che, a parità di variazione di temperatura, i liquidi si dilatano più dei solidi ed i gas più dei liquidi. Qualitativamente ciò si può giustificare considerando che nei liquidi, e ancor più nei gas, le particelle che li compongono sono fra loro legate più debolmente rispetto a quelle dei solidi, quindi possono allontanarsi maggiormente fra loro.

Il Calore 1/2 È esperienza comune che per far aumentare la temperatura di una sostanza, ad esempio dell’acqua, è necessario scaldarla. Ciò equivale a fornire al corpo una certa quantità di energia, detta calore: Il calore è una forma di energia la cui proprietà principale è quella di passare da un corpo più caldo ad un altro corpo meno caldo. L’unità di misura nel S.I. è il joule (J). In passato il calore era misurato in calorie (cal) o chilocalorie (1 kcal = 1000 cal), dove la kcal è la quantità di calore necessaria per elevare da 14,5 °C a 15,5 °C la temperatura di un grammo di acqua distillata posta a livello del mare (pressione 1 atm = 101325 Pa). La relazione fra chilocaloria e joule è: 1 kcal = 4180 J. Il rapporto fra il calore che un corpo acquista e la variazione di temperatura si definisce capacità termica del corpo, in formule: L’unità di misura nel S.I. è J/K o J/°C.

Legge Fondamentale della Termologia Il Calore 2/2 È abbastanza evidente che quanto maggiore è la massa che viene riscaldata tanto maggiore è il calore necessario per farne aumentare la temperatura, la costante di proporzionalità tra capacità e massa si chiama calore specifico: Il calore specifico di una sostanza è il rapporto fra la capacità termica e la massa, in formule: L’unità di misura nel S.I. è J/(K · kg) o J/(°C · kg). Ciò porta a quella che viene definita come: Legge Fondamentale della Termologia

L’Equilibrio Termico TA TB TA > TB Q Q : Flusso di Calore TC La legge fondamentale della termologia regola quindi i processi di scambio di calore che portano all’equilibrio termico, che consiste nel fatto che quando due corpi a diversa temperatura sono messi a contatto si genera un flusso di calore, dal corpo più caldo verso quello più freddo, che dura sino a quando i due corpi non arrivano alla stessa temperatura intermedia tra le due temperature iniziali. TA TB TA > TB Q Q : Flusso di Calore TC TA > TC > TB Tutti i corpi tendono all’equilibrio termico, cioè a portarsi alla stessa temperatura attraverso un flusso , ciò può accadere in quanto il calore si propaga, cioè passa dal corpo più caldo al corpo più freddo. Le sostanze che conducono bene il calore si dicono conduttori termici (ad es. i metalli), mentre le sostanze che non lo conducono bene si dicono isolanti termici (ad es. il legno).

La Propagazione del Calore I meccanismi di propagazione del calore sono: Conduzione: E’ la trasmissione di calore da un corpo ad un altro senza spostamento delle sue molecole. Un caso tipico è il riscaldamento di un’asta metallica mediante una fiamma applicata alle sue estremità. L’energia termica si trasmette per contatto da molecola a molecola dall’estremità a più alta temperatura verso quella fredda. La conduzione è tipica dei solidi. Convezione: E’ la trasmissione di calore che avviene nei fluidi (liquidi e gas) con spostamento delle molecole. Se un corpo caldo (ad esempio un radiatore) riscalda l’aria, questa diventa sempre più leggera e sale verso l’alto; tale movimento richiama altra aria verso il corpo caldo e così via. La spinta naturale di salita dell’aria, origina un movimento lento della stessa (convezione), riscaldando il locale in modo uniforme e confortevole. Irraggiamento: E’ la trasmissione di calore senza contatto diretto dei corpi. In questo caso si trasmette il calore mediante onde o radiazioni. Un esempio è il calore che percepiamo da una lampadina accesa quando avviciniamo la mano. Questo è il modo in cui il Sole riscalda la Terra.

I Passaggi di Stato Al variare di temperatura e pressione la materia può transitare da uno stato di aggregazione ad un altro, effettuando un PASSAGGIO DI STATO: Passaggi di stato che avvengono con cessione di calore da parte del corpo. Passaggi di stato che avvengono con assorbimento di calore da parte del corpo. Durante i passaggi di stato la temperatura dei corpi è costante, ad esempio se in un bicchiere abbiamo acqua e ghiaccio la temperatura è 0°C sino a quando tutto il ghiaccio non è diventato acqua. Il calore assorbito (o ceduto) dal corpo durante il passaggio di stato si chiama Calore Latente ed è utilizzato dal corpo solo ed esclusivamente per effettuare il passaggio di stato stesso, quindi non produce un aumento (o diminuzione) della temperatura del corpo. Nota: E’ possibile ottenere i passaggi di stato anche senza somministrare o assorbire calore ma agendo invece sulla pressione; ad esempio in laboratorio abbiamo verificato che possiamo far bollire l’acqua anche a temperatura ambiente semplicemente diminuendo la pressione atmosferica.